Résumé de la structure cellulaire, corrélats anatomiques de la fonction métabolique

Auteur et conservateur : Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Ce chapitre s’est intéressé à l’ultrastructure subcellulaire des organites, et surtout à leur fonction. Il n’y a pas de déchets dans la structure cellulaire. Le noyau possède les instructions nécessaires à l’exécution des fonctions de la cellule. Dans la cellule eucaryote, il existe une différenciation importante, de sorte que les cellules sont régulées en fonction des besoins qu’elles remplissent de manière unique. Quand il y a une dérégulation, cela conduit à un remodelage ou à la mort cellulaire.

Je noterai ici quelques points saillants de ce chapitre.

1. Dans chaque aspect de la fonction cellulaire, des protéines sont impliquées intégrées dans la structure, pour un fonctionnement le plus efficace.
2. La régulation métabolique dépend de voies qui sont aussi des liaisons de protéines.
3. L’utilisation de l’énergie dépend de réactions enzymatiques, impliquant souvent des ions métalliques essentiels de haute valence, ce qui facilite la liaison covalente et anionique, et a un rôle essentiel dans l’allostéricité.

Mitochondries

Les mitochondries ont un diamètre de 0,5 à 1,0 micromètre (μm). Ces structures sont parfois décrites comme des « centrales cellulaires » car elles génèrent la majeure partie de l’approvisionnement de la cellule en adénosine triphosphate (ATP), utilisé comme source d’énergie chimique. En plus de fournir l’énergie cellulaire, les mitochondries participent à d’autres tâches telles que la signalisation, la différenciation cellulaire, la mort cellulaire, ainsi que le contrôle du cycle cellulaire et de la croissance cellulaire. Les mitochondries ont été impliquées dans plusieurs maladies humaines, notamment les troubles mitochondriaux et le dysfonctionnement cardiaque.

Le nombre de mitochondries dans une cellule peut varier considérablement selon l’organisme, le tissu et le type de cellule. Par exemple, les globules rouges ne possèdent aucune mitochondrie, alors que les cellules du foie peuvent en compter plus de 2000. L’organite est composé de compartiments qui remplissent des fonctions spécialisées. Ces compartiments ou régions comprennent la membrane externe, l’espace intermembranaire, la membrane interne, les cristaux et la matrice. Les protéines mitochondriales varient selon le tissu et l’espèce. On pense que le protéome mitochondrial est régulé de manière dynamique. Bien que la majeure partie de l’ADN d’une cellule soit contenue dans le noyau cellulaire, la mitochondrie possède son propre génome indépendant. De plus, son ADN présente des similitudes substantielles avec les génomes bactériens.

En 1913, des particules provenant d’extraits de foie de cobaye ont été liées à la respiration par Otto Heinrich Warburg, qu’il a appelé « grana ». Warburg et Heinrich Otto Wieland, qui avait également postulé un mécanisme similaire de particules, étaient en désaccord sur la nature chimique de la respiration. Ce n’est qu’en 1925, lorsque David Keilin découvre les cytochromes, que la chaîne respiratoire est décrite. En 1939, des expériences utilisant des cellules musculaires hachées ont démontré qu’un atome d’oxygène peut former deux molécules d’adénosine triphosphate et, en 1941, le concept selon lequel les liaisons phosphates sont une forme d’énergie dans le métabolisme cellulaire a été développé par Fritz Albert Lipmann. Au cours des années suivantes, le mécanisme de la respiration cellulaire a été approfondi, bien que son lien avec les mitochondries ne soit pas connu. L’introduction du fractionnement tissulaire par Albert Claude a permis d’isoler les mitochondries des autres fractions cellulaires et de réaliser des analyses biochimiques sur elles seules. En 1946, il conclut que la cytochrome oxydase et d’autres enzymes responsables de la chaîne respiratoire étaient isolées dans les mitchondries.

Les premières micrographies à haute résolution sont apparues en 1952, remplaçant les colorations au vert de Janus comme moyen privilégié de visualiser les mitochondries. Cela a conduit à une analyse plus détaillée de la structure des mitochondries, y compris la confirmation qu’elles étaient entourées d’une membrane. Elle a également montré qu’il existait une deuxième membrane à l’intérieur de la mitochondrie qui se repliait en crêtes divisant la chambre intérieure et que la taille et la forme des mitochondries variaient d’une cellule à l’autre. En 1967, on a découvert que les mitochondries contenaient des ribosomes. En 1968, des méthodes ont été développées pour cartographier les gènes mitochondriaux, la carte génétique et physique des mitochondries de levure étant achevée en 1976.

Une mitochondrie contient des membranes externe et interne composées de bicouches de phospholipides et de protéines. Les deux membranes ont des propriétés différentes. En raison de cette organisation à double membrane, il y a cinq parties distinctes à une mitochondrie. Ce sont :

1. la membrane mitochondriale externe,
2. l’espace intermembranaire (l’espace entre les membranes externe et interne),
3. la membrane mitochondriale interne,
4. l’espace des cristaux (formé par les replis de la membrane interne), et
5. la matrice (espace à l’intérieur de la membrane interne).

Les mitochondries dépouillées de leur membrane externe sont appelées mitoplastes.

Ustrastructure de la mitochondrie (schéma interactif) Une mitochondrie possède une double membrane ; la membrane interne contient son appareil chimiosmotique et présente de profonds sillons qui augmentent sa surface. Bien qu’elle soit communément représentée comme une « saucisse orange avec une tache à l’intérieur » (comme ici), la mitochondrie peut prendre de nombreuses formes et son espace intermembranaire est assez fin.

L’espace intermembranaire est l’espace entre la membrane externe et la membrane interne. Il est également connu sous le nom d’espace périmitochondrial. Comme la membrane externe est librement perméable aux petites molécules, les concentrations de petites molécules telles que les ions et les sucres dans l’espace intermembranaire sont les mêmes que dans le cytosol. Cependant, les grosses protéines doivent avoir une séquence de signalisation spécifique pour être transportées à travers la membrane externe, de sorte que la composition protéique de cet espace est différente de celle du cytosol. Une protéine qui est localisée dans l’espace intermembranaire de cette façon est le cytochrome c.

La membrane mitochondriale interne contient des protéines ayant cinq types de fonctions :

1. Celles qui réalisent les réactions d’oxydoréduction de la phosphorylation oxydative
2. L’ATP synthase, qui génère l’ATP dans la matrice
3. Les protéines de transport spécifiques qui régulent le passage des métabolites dans et hors de la matrice
4. La machinerie d’importation des protéines.
5. Protéines de fusion et de fission des mitochondries.

Elle contient plus de 151 polypeptides différents, et présente un rapport protéines/phospholipides très élevé (plus de 3:1 en poids, soit environ 1 protéine pour 15 phospholipides). La membrane interne abrite environ 1/5 des protéines totales de la mitochondrie. En outre, la membrane interne est riche en un phospholipide inhabituel, la cardiolipine. Ce phospholipide a été découvert à l’origine dans des cœurs de vache en 1942, et il est généralement caractéristique des membranes plasmatiques mitochondriales et bactériennes. La cardiolipine contient quatre acides gras au lieu de deux, et peut contribuer à rendre la membrane interne imperméable. Contrairement à la membrane externe, la membrane interne ne contient pas de porines et est hautement imperméable à toutes les molécules. Presque tous les ions et molécules ont besoin de transporteurs membranaires spéciaux pour entrer ou sortir de la matrice. Les protéines sont transportées dans la matrice par le complexe TIM (translocase of the inner membrane) ou par Oxa1. En outre, il existe un potentiel de membrane à travers la membrane interne, formé par l’action des enzymes de la chaîne de transport des électrons.

La membrane mitochondriale interne est compartimentée en de nombreuses cristaux, qui étendent la surface de la membrane mitochondriale interne, améliorant sa capacité à produire de l’ATP. Pour les mitochondries typiques du foie, la surface de la membrane interne est environ cinq fois plus grande que celle de la membrane externe. Ce rapport est variable et les mitochondries des cellules qui ont une plus grande demande d’ATP, comme les cellules musculaires, contiennent encore plus de cristaux. Ces plis sont constellés de petits corps ronds appelés particules F1 ou oxysomes. Il ne s’agit pas de simples plis aléatoires mais plutôt d’invaginations de la membrane interne, qui peuvent affecter la fonction chimiosmotique globale. Une étude récente de modélisation mathématique a suggéré que les propriétés optiques des cristaux dans les mitochondries filamenteuses peuvent affecter la génération et la propagation de la lumière dans le tissu.

La matrice est l’espace entouré par la membrane interne. Elle contient environ 2/3 des protéines totales d’une mitochondrie. La matrice est importante dans la thLa MAM est enrichie en enzymes impliquées dans la biosynthèse des lipides, comme la phosphatidylsérine synthase sur la face ER et la phosphatidylsérine décarboxylase sur la face mitochondriale. Les mitochondries étant des organites dynamiques qui subissent constamment des événements de fission et de fusion, elles ont besoin d’un apport constant et bien régulé de phospholipides pour assurer l’intégrité de leur membrane. Mais la mitochondrie n’est pas seulement une destination pour les phospholipides dont elle termine la synthèse ; cet organite joue également un rôle dans le trafic inter-organite des intermédiaires et des produits des voies de biosynthèse des phospholipides, du métabolisme des céramides et du cholestérol, et de la production d’ATP par l’anabolisme des glycosphingolipides à l’aide de l’ATP synthase contenue dans la membrane interne. La matrice contient un mélange hautement concentré de centaines d’enzymes, de ribosomes mitochondriaux spéciaux, d’ARNt et de plusieurs copies du génome de l’ADN mitochondrial. Parmi les enzymes, les principales fonctions comprennent l’oxydation du pyruvate et des acides gras, et le cycle de l’acide citrique.

La MAM purifiée à partir d’un fractionnement subcellulaire s’est révélée enrichie en enzymes impliquées dans l’échange de phospholipides, en plus des canaux associés à la signalisation du Ca2+. La membrane ER associée à la mitochondrie (MAM) est un autre élément structurel qui est de plus en plus reconnu pour son rôle critique dans la physiologie et l’homéostasie cellulaire. Autrefois considérés comme un problème technique dans les techniques de fractionnement cellulaire, les prétendus contaminants vésiculaires du RE qui apparaissaient invariablement dans la fraction mitochondriale ont été réidentifiés comme des structures membranaires dérivées de la MAM – l’interface entre les mitochondries et le RE. Le couplage physique entre ces deux organites avait déjà été observé dans des micrographies électroniques et a plus récemment été sondé par microscopie à fluorescence. Ces études estiment qu’au niveau de la MAM, qui peut comprendre jusqu’à 20 % de la membrane externe mitochondriale, le RE et les mitochondries sont séparés par seulement 10-25 nm et maintenus ensemble par des complexes de liaison protéiques.

Cette capacité de trafic dépend de la MAM, dont il a été démontré qu’elle facilite le transfert des intermédiaires lipidiques entre les organites. Contrairement au mécanisme vésiculaire standard de transfert des lipides, des preuves indiquent que la proximité physique des membranes du RE et de la mitochondrie au niveau de la MAM permet le retournement des lipides entre les bicouches opposées. Malgré ce mécanisme inhabituel et apparemment énergétiquement défavorable, ce transport ne nécessite pas d’ATP. Au lieu de cela, chez la levure, il a été démontré qu’il dépendait d’une structure d’attache multiprotéique appelée structure de rencontre ER-mitochondrie, ou ERMES, bien qu’on ne sache toujours pas si cette structure sert directement de médiateur au transfert de lipides ou si elle est nécessaire pour maintenir les membranes à une proximité suffisante pour abaisser la barrière énergétique du retournement des lipides.

Un rôle critique de l’ER dans la signalisation calcique a été reconnu avant qu’un tel rôle pour les mitochondries soit largement accepté, en partie parce que la faible affinité des canaux Ca2+ localisés à la membrane mitochondriale externe semblait aller à l’encontre de la prétendue réactivité de cet organite aux changements du flux intracellulaire de Ca2+. Mais la présence de la MAM résout cette contradiction apparente : l’association physique étroite entre les deux organites donne lieu à des microdomaines de Ca2+ aux points de contact qui facilitent la transmission efficace du Ca2+ de l’ER à la mitochondrie. La transmission se produit en réponse à ce que l’on appelle des  » bouffées de Ca2+  » générées par le regroupement et l’activation spontanés de IP3R, un canal Ca2+ canonique de la membrane du RE.

Les propriétés de la pompe à Ca2+ SERCA et du canal IP3R présents sur la membrane du RE facilitent la régulation par rétroaction coordonnée par la fonction MAM. En particulier, la clairance du Ca2+ par le MAM permet un modelage spatio-temporel de la signalisation du Ca2+ car le Ca2+ modifie l’activité de IP3R de manière biphasique. SERCA est également affecté par la rétroaction mitochondriale : l’absorption de Ca2+ par la MAM stimule la production d’ATP, fournissant ainsi de l’énergie qui permet à SERCA de recharger le RE en Ca2+ pour poursuivre l’efflux de Ca2+ au niveau de la MAM. Ainsi, le MAM n’est pas un tampon passif pour les bouffées de Ca2+ ; il contribue plutôt à moduler la signalisation ultérieure du Ca2+ par le biais de boucles de rétroaction qui affectent la dynamique du RE.

La régulation de la libération de Ca2+ par le RE au niveau du MAM est particulièrement critique car seule une certaine fenêtre d’absorption de Ca2+ maintient les mitochondries, et par conséquent la cellule, en homéostasie. Une signalisation intra-organelle suffisante du Ca2+ est nécessaire pour stimuler le métabolisme en activant les enzymes déshydrogénases essentielles au flux du cycle de l’acide citrique. Cependant, une fois que la signalisation du Ca2+ dans les mitochondries dépasse un certain seuil, elle stimule la voie intrinsèque de l’apoptose, en partie par l’effondrement du potentiel de la membrane mitochondriale nécessaire au métabolisme. Des études examinant le rôle des facteurs pro- et anti-apoptotiques soutiennent ce modèle ; par exemple, il a été démontré que le facteur anti-apoptotique Bcl-2 interagit avec les IP3R pour réduire le remplissage en Ca2+ du RE, ce qui entraîne une réduction de l’efflux au niveau de la MAM et empêche l’effondrement du potentiel de la membrane mitochondriale après des stimuli apoptotiques. Compte tenu de la nécessité d’une telle régulation fine de la signalisation du Ca2+, il n’est peut-être pas surprenant que le Ca2+ mitochondrial dysrégulé ait été impliqué dans plusieurs maladies neurodégénératives, tandis que le catalogue des suppresseurs de tumeurs en comprend quelques-uns qui sont enrichis au niveau de la MAM.

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Lysosome et apoptose

Rôle de l’autophagie dans le cancer

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

Nature Reviews Cancer 7, 961-967 (Dec 2007) | http://dx.doi.org:/10.1038/nrc2254

L’autophagie est une voie de dégradation cellulaire pour l’élimination des protéines et organelles endommagées ou superflues. Le recyclage de ces constituants intracellulaires sert également de source d’énergie alternative pendant les périodes de stress métabolique pour maintenir l’homéostasie et la viabilité. Dans les cellules tumorales présentant des défauts d’apoptose, l’autophagie permet une survie prolongée. Paradoxalement, les défauts d’autophagie sont associés à une augmentation de la tumorigenèse, mais le mécanisme qui sous-tend ce phénomène n’a pas été déterminé. Des données récentes suggèrent que l’autophagie assure une fonction protectrice pour limiter la nécrose tumorale et l’inflammation, et pour atténuer les dommages au génome dans les cellules tumorales en réponse au stress métabolique.

L’activation soutenue de mTORC1 dans le muscle squelettique inhibe l’autophagie constitutive et induite par la famine et provoque une myopathie sévère et tardive

P Castets, S Lin, N Rion, S Di Fulvio, et al.
cell-metabolism 7 mai, 2013 ; 17(5) : p731-744 http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2013.03.015

• l’inhibition de mTORC1 est nécessaire pour l’autophagie constitutive et induite par la famine-.l’autophagie constitutive et induite par la famine
• L’activation prolongée de mTORC1 provoque une myopathie sévère due à l’altération de l’autophagie
• La déplétion en STC1 est suffisante pour activer mTORC1 indépendamment d’autres stimuli
• l’inactivation de mTORC1 est suffisante pour déclencher la LCS. est suffisante pour déclencher la lipidation des LC3

L’autophagie est un processus catabolique qui assure la clairance homéostatique des cellules et qui est dérégulé dans un nombre croissant de conditions myopathologiques. Bien qu’il ait été démontré que FoxO3 favorise l’expression de gènes liés à l’autophagie dans le muscle squelettique, les mécanismes déclenchant l’autophagie ne sont pas clairs. Nous montrons que les souris déficientes en TSC1 (TSCmKO), caractérisées par une activation soutenue de mTORC1, développent une myopathie tardive liée à une altération de l’autophagie. Chez les jeunes souris TSCmKO,

• l’autophagie constitutive et induite par la famine est bloquée aux étapes d’induction via
• l’inhibition de Ulk1 médiée par mTORC1, malgré l’activation de FoxO3.

La rapamycine est suffisante pour restaurer l’autophagie chez les souris TSCmKO et

• améliore le phénotype musculaire des vieilles souris mutantes.

Inversement, l’abrogation de la signalisation mTORC1 par

• déplétion du raptor induit l’autophagie indépendamment de l’inhibition de FoxO.

Donc, mTORC1 est le régulateur dominant de l’induction de l’autophagie dans le muscle squelettique et

• assure une coordination étroite des voies métaboliques.

Ces résultats peuvent ouvrir des voies intéressantes pour des stratégies thérapeutiques dirigées vers les maladies musculaires liées à l’autophagie.

Les histone désacétylases 1 et 2 régulent le flux d’autophagie et l’homéostasie du muscle squelettique chez la souris

HDAC1 active FoxO et est à la fois suffisant et nécessaire pour l’atrophie du muscle squelettique

Beharry, PB. Sandesara, BM. Roberts, et al.
J. Cell Sci. Apr 2014 127 (7) 1441-1453 http://dx.doi.org:/10.1242/jcs.136390

Les facteurs de transcription Forkhead box O (FoxO) sont activés, et nécessaires à l’atrophie musculaire, dans plusieurs conditions physiopathologiques, notamment la désuétude musculaire et la cachexie cancéreuse. Cependant, les mécanismes qui conduisent à l’activation de FoxO ne sont pas bien définis. Des données récentes de notre laboratoire et d’autres indiquent que

• l’activité de FoxO est réprimée dans des conditions basales par l’acétylation réversible de la lysine,
• qui devient compromise dans des conditions cataboliques.

Par conséquent, nous avons cherché à déterminer comment les protéines histone désacétylases (HDAC) contribuent à

• l’activation de FoxO et à l’induction du programme d’atrophie musculaire.

À travers l’utilisation de divers inhibiteurs pharmacologiques pour bloquer l’activité des HDAC, nous démontrons que

• les HDAC de classe I sont des régulateurs clés de FoxO et du programme d’atrophie musculaire
• à la fois pendant la privation de nutriments et la désuétude des muscles squelettiques.

De plus, nous démontrons, par l’utilisation de plasmides d’expression de HDAC1 de type sauvage et dominant-négatif,

• que HDAC1 est suffisant pour activer FoxO et induire l’atrophie des fibres musculaires in vivo et
• est nécessaire pour l’atrophie des fibres musculaires qui est associée à la désuétude musculaire.

La capacité de HDAC1 à provoquer une atrophie musculaire nécessitait son activité désacétylase et

• était liée à l’induction de plusieurs gènes d’atrophie par HDAC1,
• dont atrogin-1, qui nécessitait la désacétylation de FoxO3a.

De plus, l’inhibition pharmacologique des HDAC de classe I pendant la désuétude musculaire, en utilisant le MS-275,

• atténue significativement à la fois l’atrophie des fibres musculaires de la désuétude et le dysfonctionnement contractile.

Ensemble, ces données solidifient l’importance des HDAC de classe I dans le programme d’atrophie musculaire et

• indiquent que les inhibiteurs des HDAC de classe I sont des contre-mesures réalisables pour entraver l’atrophie et la faiblesse musculaires.

L’autophagie est un processus vésiculaire de dégradation lysosomale des agrégats protéiques et

• des organites endommagés ou redondants.

L’autophagie joue un rôle important dans l’homéostasie cellulaire, et il existe des preuves que

• ce processus est dérégulé dans les cellules cancéreuses.

Des études précliniques récentes in vitro ont indiqué que l’autophagie est

• impliquée dans la réponse cytotoxique aux chimiothérapies dans les cellules cancéreuses de la thyroïde.

En effet, plusieurs oncogènes et gènes oncosuppresseurs impliqués dans la carcinogenèse thyroïdienne

• jouent également un rôle dans la régulation de l’autophagie.

En outre, certains modulateurs épigénétiques impliqués dans la carcinogenèse thyroïdienne influencent également l’autophagie. Dans cette revue, nous mettons en évidence les facteurs génétiques et épigénétiques qui

• lient mécaniquement la carcinogenèse thyroïdienne et l’autophagie, justifiant ainsi le bien-fondé
• d’une thérapie ciblant l’autophagie dans les cancers de la thyroïde agressifs et radio-chimo-résistants.

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